Электрическая передача мощности переменного тока тягового транспортного средства с микропроцессорной системой управления

Электрическая передача мощности переменного тока тягового транспортного средства с микропроцессорной системой управления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Предлагаемое изобретение относится к электрооборудованию тягового транспортного электроподвижного состава, т.е. таких тяговых транспортных средств, как тепловозы, дизель-поезда, автомобили, тягачи и т.д., у которых электрические передачи мощности переменного тока с вала теплового двигателя к осям движущих колес выполнены на переменном токе с непосредственным подключением асинхронных тяговых двигателей к синхронному тяговому генератору без промежуточных преобразователей.

Уровень техники

Известны электрические передачи мощности переменного тока, не содержащие промежуточных преобразователей между синхронным тяговым генератором и асинхронными тяговыми двигателями, частота вращения валов которых изменяется ступенями путем изменения числа полюсов 2р электрических машин [Патенты Великобритании 1064772, Кл. Н2А, 1964 и 1067070, Кл. Н2А, 1974]. Эти электрические передачи мощности переменного тока имеют сложную многоприводную систему, что усложняет передачу, снижает ее надежность и ухудшает тяговые свойства тягового транспортного средства. Недостатком указанных передач является то, что скоростной диапазон не может быть широким, так как число переключений полюсов не превосходит одного-двух из-за чрезмерного возрастания веса коммутационной аппаратуры и самих электрических машин. Переключение полюсов электрических машин связано с коммутацией силовой цепи статора, передающей мощность от синхронного тягового генератора к асинхронным тяговым двигателям, что приводит к исчезновению силы тяги в процессе переключения и к броскам токов и моментов в начале и конце такого переключения.

Известна электрическая передача мощности переменного тока с полюсопереключаемыми машинами [А.Д. Степанов, А.А. Будницкий, В.С. Строков и др. Исследование электрической передачи переменного тока с полюсопереключаемыми машинами на макетном тепловозе. - Коломна, Труды ВНИ-ТИ, вып.41, 1975, с.60-67. Электрические передачи переменного тока тепловозов и газотурбовозов // Степанов А.Д., Андерс В.И., Пречисский В.А. и др. - М.: Транспорт, 1982, с.109]. Передача содержит трехфазный синхронный тяговый генератор, имеющий две отдельные статорные обмотки, двухскоростные асинхронные тяговые двигатели и систему регулирования напряжения и управления переключениями полюсов. Переключение полюсов синхронного тягового генератора и асинхронных тяговых двигателей осуществляется блоком управления переключениями. Время переключения составляет 0,5 с, потеря силы тяги - 50%. Трехфазный синхронный тяговый генератор может иметь число полюсов 2р_Г1=6 или 2р_Г2=4. Отношение числа полюсов синхронного тягового генератора составляет 1,5. Двухскоростные асинхронные тяговые двигатели имеют число полюсов 2р_Д1=8 и 2р_Д1=4. Отношение числа полюсов асинхронных тяговых двигателей составляет 2,0. Таким образом, скоростной диапазон, обеспечиваемый переключением полюсов, равен 3,0. Очевидно, что такой скоростной диапазон недостаточен для электрической передачи мощности переменного тока тягового транспортного средства. Кроме того, наличие полюсопереключаемого синхронного тягового генератора усложняет передачу мощности, а скоростной диапазон расширяется незначительно (в 1,5 раза). Электрическая передача мощности переменного тока работает следующим образом. Тепловой двигатель тягового транспортного средства имеет минимальную частоту вращения вала (холостого хода) 900 об/мин. При этом частота напряжения синхронного тягового генератора при p_Г1=2 составляет 30 Гц. При этой частоте напряжения и числе пар полюсов, равном 4, асинхронные тяговые двигатели за счет уменьшения скольжения от 1,0 до номинального значения разгоняются до 450 об/мин. Разгон тягового транспортного средства осуществляется за счет увеличения частоты вращения вала энергетической установки (теплового двигателя, работающего совместно с синхронным тяговым генератором) до номинального значения 1500 об/мин и увеличения частоты напряжения синхронного тягового генератора до 50 Гц. При этой частоте напряжения асинхронные тяговые двигатели разгоняются до 750 об/мин. Для осуществления дальнейшего увеличения скорости движения тягового транспортного средства частота вращения вала энергетической установки должна уменьшаться до требуемого минимального значения (1000 об/мин). После чего включаются обмотки синхронного тягового генератора с большим числом полюсов (р_Г2=3), и дальнейший разгон тягового транспортного средства осуществляется за счет уменьшения скольжения асинхронных тяговых двигателей до номинального значения и за счет увеличения частоты вращения вала энергетической установки до номинального значения. Для осуществления дальнейшего увеличения скорости движения тягового транспортного средства частота вращения вала энергетической установки уменьшается до требуемого минимального значения (1125 об/мин). После чего включаются обмотки асинхронных тяговых двигателей с меньшим числом полюсов (р_Д2=2), и дальнейший разгон тягового транспортного средства осуществляется за счет уменьшения скольжения асинхронных тяговых двигателей до номинального значения и за счет увеличения частоты вращения вала энергетической установки до номинального значения. Для осуществления дальнейшего увеличения скорости движения тягового транспортного средства частота вращения вала энергетической установки уменьшается до требуемого минимального значения (1000 об/мин). После чего включаются обмотки синхронного тягового генератора с большим числом полюсов (р_Г2=3), и дальнейший разгон тягового транспортного средства осуществляется за счет уменьшения скольжения асинхронных тяговых двигателей (при p_Д2=2) до номинального значения и за счет увеличения частоты вращения вала энергетической установки до номинального значения.

Однако в [А.Д. Степанов, А.А. Будницкий, B.C. Строков и др. Исследование электрической передачи переменного тока с полюсопереключаемыми машинами на макетном тепловозе. - Коломна, Труды ВНИТИ, вып.41, 1975, с.60-67.] показано, что (см. рис.4) частота вращения вала энергетической установки имеет номинальное значение как на первой, так и на второй ступени скорости. При этом на первой ступени скорости частота напряжения синхронного тягового генератора составляет 50 Гц. При этой частоте напряжения асинхронные тяговые двигатели имеют синхронную частоту вращения вала 750 об/мин. На второй ступени скорости частота напряжения синхронного тягового генератора составляет 75 Гц. При этой частоте напряжения асинхронные тяговые двигатели должны иметь синхронную частоту вращения вала 1125 об/мин. Это означает, что на второй ступени скорости асинхронные тяговые двигатели должны увеличивать частоту вращения вала за счет уменьшения скольжения от 0,33 до номинального значения. При этом тяговые электрические машины (синхронный тяговый генератор и асинхронные тяговые двигатели) довольно длительное время работают при больших токах нагрузки, что приводит к значительному перегреву и уменьшению их надежности.

Аналоги предлагаемого изобретения, наиболее близкие к нему по совокупности существенных признаков (прототипы)

Известен регулируемый электропривод переменного тока, содержащий синхронный тяговый генератор с несколькими m-фазными обмотками статора, приводимый во вращение тепловым двигателем, и полюсопереключаемые асинхронные тяговые двигатели, подключенные к синхронному тяговому генератору, у которого соседние обмотки статора взаимно смещены по окружности его расточки [АС СССР №691320, М. Кл.² B60L 11/08, 1979, БИ 38]. Этот электропривод отличается очень большой сложностью синхронного тягового генератора. В описании этого изобретения не освещается система управления электроприводом и тепловым двигателем.

Все электрические передачи мощности переменного тока, содержащие синхронный тяговый генератор и подключенные к нему асинхронные тяговые двигатели с короткозамкнутым ротором, имеющие статорные полюсопереключаемые обмотки, работают следующим образом.

Разгон тягового транспортного средства осуществляется при включенных обмотках синхронного тягового генератора с наименьшим числом полюсов и асинхронных тяговых двигателей с максимальным числом полюсов и при работе теплового двигателя и синхронного тягового генератора с минимальной частотой вращения вала (частотой вращения холостого хода). Разгон тягового транспортного средства вначале осуществляется за счет уменьшения скольжения асинхронных тяговых двигателей до номинального значения и затем за счет увеличения частоты вращения вала энергетической установки до номинального значения. Для осуществления дальнейшего увеличения скорости движения тягового транспортного средства частота вращения вала энергетической установки уменьшается до требуемого минимального значения. После чего включаются обмотки асинхронных тяговых двигателей с меньшим числом полюсов, и дальнейший разгон тягового транспортного средства осуществляется за счет уменьшения скольжения асинхронных тяговых двигателей до номинального значения и за счет увеличения частоты вращения вала энергетической установки до номинального значения. Для осуществления дальнейшего увеличения скорости движения тягового транспортного средства частота вращения вала энергетической установки снова уменьшается до требуемого минимального значения. После чего включаются обмотки асинхронных тяговых двигателей с меньшим числом полюсов, и дальнейший разгон тягового транспортного средства осуществляется за счет уменьшения скольжения асинхронных тяговых двигателей до номинального значения и за счет увеличения частоты вращения вала энергетической установки до номинального значения. Таким образом, при электрической передаче мощности переменного тока, содержащей синхронный тяговый генератор и подключенные к нему асинхронные тяговые двигатели с короткозамкнутым ротором, имеющие статорные полюсопереключаемые обмотки, изменение скорости движения тягового транспортного средства осуществляется путем переключения обмоток и изменением частоты вращения вала энергетической установки в полном диапазоне при каждом переключении числа полюсов полюсопереключаемых обмоток синхронного тягового генератора или асинхронных тяговых двигателей. То есть при этом энергетическая установка значительную часть времени работает при переходных процессах. Анализ результатов исследований переходных процессов тепловых двигателей показывает, что индикаторные и эффективные параметры работы теплового двигателя значительно отличаются от их значений при соответствующих установившихся режимах. При одинаковых цикловых подачах топлива на установившихся и неустановившихся режимах, связанных с ростом нагрузки, на последних достигаются меньшие мощности. Уменьшение мощности на неустановившихся режимах приводит к существенному росту удельного расхода топлива. Низкая экономичность и повышенная дымность выпускных газов при переходных процессах, связанных с повышением нагрузки, являются результатом неудовлетворительного протекания индикаторного процесса, о чем свидетельствует резкое снижение индикаторного кпд. Таким образом, значительная продолжительность переходных процессов и низкая экономичность их протекания обуславливают их отрицательное влияние на среднеэксплуатационный кпд энергетической установки тягового транспортного средства. Кроме того, переходные процессы снижают долговечность и надежность энергетической установки из-за ускоренного закоксовывания выпускного тракта и проточной части турбины теплового двигателя в результате неполного сгорания топлива и повышенных амплитуд колебаний температуры поверхности деталей цилиндро-поршневой группы [Тепловозные двигатели внутреннего сгорания / А.Э. Симсон, А.З. Хомич, А.А. Куриц и др. - М.: Транспорт, 1987. - С.391-392].

Известна также электрическая передача мощности переменного тока [Патент РФ №2225301], которая содержит тяговый генератор переменного тока, приводимый во вращение от теплового двигателя, и асинхронные тяговые двигатели с короткозамкнутым ротором. Тяговый генератор выполнен асинхронным, статорная обмотка подключена непосредственно к асинхронным двигателям, а обмотка фазового ротора подключена к преобразователю частоты. Последний подключен к регулятору частоты асинхронного тягового генератора, соединенному с контроллером управления, и к статорной обмотке синхронного возбудителя, приводимого во вращение от теплового двигателя. Обмотка возбуждения возбудителя подключена к регулятору напряжения асинхронного тягового генератора, соединенному с контроллером управления. Данная электрическая передача мощности переменного тока позволяет получить плавное и непрерывное изменение касательной силы тяги, а также скорости тягового транспортного средства без применения промежуточных преобразователей и устройств переключения между асинхронным тяговым генератором и асинхронными тяговыми двигателями. Изобретение обеспечивает расширение диапазона скорости движения тягового транспортного средства, а также повышение тяговых свойств, надежности и экономичности. Скоростной диапазон составляет 2-3. Существенным недостатком этой электрической передачи мощности переменного тока является то, что увеличение скоростного диапазона приводит к значительному увеличению массы возбудителя [Торопцев Н.Д., Алюшин Г.Н. Асинхронные генераторы повышенной частоты. М.: Машиностроение, 1974. С.282-284].

Известные электрические передачи мощности переменного тока тяговых транспортных средств имеют существенные недостатки. В электрических передачах мощности переменного тока с частотным управлением асинхронными тяговыми двигателями применяются преобразователи частоты, имеющие определенные габаритные размеры, вес и стоимость. Так, цена универсального трехфазного преобразователя частоты с фильтром радиопомех к нему превышает цену асинхронного тягового двигателя с короткозамкнутым ротором приблизительно в полтора десятка раз [Ванурин В.Н. Статорные обмотки асинхронных двигателей. - Зерноград, ВНИПТИМЭСХ. - 2001. С.164].

Сущность изобретения

Общий закон управления асинхронным тяговым двигателем с короткозамкнутым ротором на локомотиве имеет вид [Розенфельд В.Е., Исаев И.П., Сидоров Н.Н. Теория электрической тяги. - М.: Транспорт, 1983. С.190-191]

где скорость движения ν₁ и касательная сила тяги F₁ соответствуют частоте f₁₁ питающего напряжения, a ν₂ и F₂ - частоте питающего напряжения f₁₂.

Оптимальный режим работы асинхронного тягового двигателя с короткозамкнутым ротором определяется соотношением трех его основных параметров: напряжения U₁, частоты f₁ и вращающего момента M₁ [Винокуров В.А., Попов Д.А. Электрические машины железнодорожного транспорта. - М.: Транспорт, 1986. С.377-379]

Меняя соотношение между этими параметрами по закону (2) можно обеспечить работу асинхронного тягового двигателя с наименьшими потерями. При этом характер изменения нагрузки в зависимости от частоты вращения должен быть задан заранее.

Система управления асинхронным тяговым двигателем задает частоту питающего напряжения f₁ с заданным превышением над частотой, соответствующей частоте вращения ротора (f₁-f₂), что и обеспечивает регулирование величины f₂. Таким образом, входными управляющими воздействиями для асинхронного тягового двигателя остаются лишь два: напряжение U₁ и частота f₁.

Имеется принципиальное отличие по условию статической устойчивости для нерегулируемых и регулируемых по частоте и напряжению асинхронных тяговых двигателей. У первых предел статической устойчивости указывает на перегрузочную способность асинхронного тягового двигателя по моменту. Он позволяет определить критический или максимально достижимый момент M_max и максимальное реализуемое скольжение s_max для асинхронного тягового двигателя данного типа. Попытка увеличить нагрузку сверх предельной по статической устойчивости приводит к «опрокидыванию» асинхронного тягового двигателя, к режиму короткого замыкания. Обычно кратность максимального и номинального моментов составляет 2-3. Для частотно-регулируемых асинхронных тяговых двигателей критический момент определяется критической частотой тока ротора f_2К, причем он может быть значительно меньше номинального при определенных условиях изменения управляющих воздействий U₁ и f₁, то есть статическая устойчивость, определяемая частотой f_2К, не является однозначной характеристикой, указывающей на возможность реализации определенного максимального момента. Критические моменты будут различными для разных зон (режимов) работы асинхронного тягового двигателя.

Частота f_2К для частотно-регулируемых асинхронных тяговых двигателей может составлять 3-10 Гц, чему при номинальном значении магнитного потока будут соответствовать весьма значительные максимальные моменты, определяемые соотношением M_max/М_ном=4÷10 [Курбасов А.С., Седов В.И., Сорин Л.Н. Проектирование тяговых электродвигателей. - М.: Транспорт, 1987. С.371-373].

Наиболее характерные законы управления асинхронным тяговым двигателем представлены на фиг.1 (Фиг.1. Зависимость мощности тягового транспортного средства от скорости его движения, ν_A - скорость движения тягового транспортного средства при выходе на постоянную мощность Р, ν_К - конструкционная скорость движения тягового транспортного средства: линия а₁-F=const; линия б₁-Р=const (F=P/ν); линия в₁-U₁=const).

Разгон тягового транспортного средства осуществляется при постоянстве касательной силы тяги F, то есть при М=const. Вращающий момент на валу асинхронного тягового двигателя определяется взаимодействием его магнитного потока Ф и тока ротора I₂, приведенного к цепи статора. При неизменном магнитном потоке Ф условие М=const равносильно условию I₂=const. Так как ток статора I можно представить в виде I=I₀+(-I₂), где I₀ - ток холостого хода, то постоянство момента асинхронного тягового двигателя равносильно также условию I=const. Это значит, что в течение времени разгона ток статора должен быть неизменным, если необходимо обеспечить условие F₁/F₂=1. При этом условии на основании соотношения (2) получим

Значит, для сохранения условия I=const в процессе разгона тягового транспортного средства и обеспечения оптимальных показателей работы асинхронного тягового двигателя следует повышать напряжение, приложенное к обмотке статора, пропорционально скорости движения тягового транспортного средства:

После выхода на номинальную характеристику асинхронного тягового двигателя, то есть при ν≥ν_A (фиг.1), нужно соблюдать постоянство мощности теплового двигателя, синхронного тягового генератора и асинхронного тягового двигателя, которая равна произведению касательной силы тяги и скорости движения тягового транспортного средства. Это значит, что касательная сила тяги должна изменяться обратно пропорционально скорости движения тягового транспортного средства: F=Р/ν.

Так как Р₁/Р₂=F₁ν₁/F₂ν₂=1, то, возведя обе части выражения (1) в квадрат, получим

Следовательно, для обеспечения условия постоянства мощности асинхронного тягового двигателя автоматическая система регулирования напряжения синхронного тягового генератора должна изменять напряжение на его статорной обмотке пропорционально корню квадратному из его частоты:

Режим постоянства скорости движения, то есть ν=const или ν₁/ν₂=1, равносилен условию постоянства частоты напряжения синхронного тягового генератора f₁₁/f₁₂=1. При этом из выражении (1) получим U 1 / U 2 = F 1 F 2 .

Значит, для обеспечения постоянства скорости ν движения тягового транспортного средства напряжение синхронного тягового генератора U₁ необходимо изменять пропорционально корню квадратному из касательной силы тяги F или момента М:

Перспективным законом управления асинхронным тяговым двигателем с короткозамкнутым ротором является закон, обеспечивающий максимальное отношение электромагнитного момента к квадрату потребляемого тока [Винокуров В.А., Попов Д.А. Электрические машины железнодорожного транспорта. - М.: Транспорт, 1986. С.378-379]

Этот критерий универсален, пригоден для управления как электромеханическими переходными процессами при пуске и торможении, так и установившимися режимами работы асинхронных тяговых двигателей. Действительно, при ограничении силы тока синхронного тягового генератора (I<I_max) управление по критерию (7) обеспечивает максимум момента асинхронного тягового двигателя при заданном токе (I=const) и соответственно минимальное время пуска или торможения асинхронного тягового двигателя.

При ограничении не только тока, но и напряжения синхронного тягового генератора, разгон асинхронного тягового двигателя может осуществляться в два этапа: 1) разгон при I<I_max с соблюдением критерия (7) до тех пор, пока напряжение синхронного тягового генератора не достигнет заданного предельного значения; 2) дальнейший разгон до заданной скорости при U=const и I=νar с соблюдением критерия (7), при этом I<I_max.

Если напряжение синхронного тягового генератора сохраняется постоянным, то есть U₁/U₂=1, то на основании соотношения (1) получим ν 2 2 / ν 1 2 = F 1 / F 2 .

Следовательно, тяговая характеристика F(ν) изменяется по закону квадратичной гиперболы. При условии постоянства напряжения синхронного тягового генератора U, изменяя касательную силу тяги F (ток I) асинхронного тягового двигателя обратно пропорционально частоте f₁, получим «мягкую» характеристику асинхронного тягового двигателя при минимуме потерь.

Например, при неизменном напряжении синхронного тягового генератора, имеющем при Пк=1 (первое положение рукоятки контроллера машиниста) частоту f₁=30 Гц, асинхронный тяговый двигатель развивает касательную силу тяги F₁ (линия в₂ на фиг.2) (Фиг.2. Характеристика сопротивления движению тягового транспортного средства W(ν) (линия a ₂) и механические характеристики асинхронного тягового двигателя при разгоне тягового транспортного средства: линия б₂ - при частоте 30 Гц; линия в₂ - 32,5 Гц; линия г₂ - 35 Гц; линии д₂÷ж₂ - при переменных частоте и напряжении). С ростом частоты f₁ напряжения синхронного тягового генератора увеличивается скорость движения ν. Если частота f₁ напряжения синхронного тягового генератора и скорость движения ν возросли в 32,5/30 раза (при Пк=2), то сила тяги асинхронного тягового двигателя F уменьшится на основании зависимости (1) в отношении F 1 F 2 , то есть будет равна 0,85F₁ (линия г₂ на фиг. 2). Абсолютная частота скольжения ротора Δf остается неизменной, как это показано на фиг.2. Если далее частота f₁ напряжения синхронного тягового генератора и скорость движения ν возросли в 35/30 раза (при Пк=3), сила тяги F асинхронного тягового двигателя уменьшится на основании зависимости (1) в отношении F 1 F 2 , то есть будет равна 0,73F₁ (линия д₂ на фиг.2).

При увеличении напряжения U синхронного тягового генератора характеристики смещаются в область более высоких скоростей (линия е₂ на фиг.2), при понижении - в область более низких скоростей движения тягового транспортного средства (линия ж₂ на фиг.2). Таким образом, одновременно изменяя напряжение синхронного тягового генератора U₁ и его частоту f₁, можно получить в зависимости от принятого закона управления требуемые тяговые характеристики F(ν) тягового транспортного средства.

Электрическая передача мощности переменного тока тягового транспортного средства с синхронным тяговым генератором и многоскоростными асинхронными тяговыми двигателями, имеющими полюсопереключаемые обмотки, является «прозрачной» и подобна многоскоростной механической передаче. В таких передачах мощности для обеспечения простоты переключения ступеней передачи рекомендуется определять интервалы скоростей движения ν_i из условия, соответствующего соотношению [Тепловозы. Под ред. Н.И. Панова. - М.: Машиностроение, 1976. - С.108]

где с=0,45÷0,70.

Если многоскоростной асинхронный тяговый двигатель имеет полюсопереключаемые обмотки с числом пар полюсов, например, р=8, 4, 2 и 1 [Попов Д.А., Попов С.Д. Трехфазная полюсопереключаемая обмотка. Патент РФ №2014711], то соотношение скоростей передачи в соответствии с выражением (8) будет иметь вид

Из этого выражения видно, что распределение числа пар полюсов (а значит, и частот вращения вала) асинхронного тягового двигателя соответствует требованию распределения ступеней скорости в «прозрачных» передачах мощности тяговых транспортных средств.

Обмотка статора принятого для предлагаемой передачи мощности асинхронного тягового двигателя [Попов Д.А., Попов С.Д. Трехфазная полюсопереключаемая обмотка. Патент РФ №2014711] выполнена из 24 катушечных групп с выводами. Коммутационные аппараты (коммутаторы) соединяют катушечные группы так, что они образуют на расточке статора асинхронного тягового двигателя фазные зоны с целым числом катушек на зону. При подаче трехфазного напряжения на входные зажимы А, В и С обмотки последняя создает в воздушном зазоре магнитное поле, первая пространственная гармоника которого вращается в одном и том же направлении с частотой вращения, зависящей от числа пар полюсов. В зависимости от положения переключателей (коммутаторов) частота вращения поля (при частоте питающего напряжения 50 Гц) равна 375 об/мин при включении на 8 пар полюсов, 750 об/мин - при включении на 4 пары полюсов, 1500 об/мин - при включении на 2 пары полюсов и 3000 об/мин - при включении на одну пару полюсов. Трехфазная полюсопереключаемая обмотка на четыре числа пар полюсов двухслойная (трехзонная), соединенная в звезду с одной параллельной ветвью в каждой фазе при всех числах пар полюсов, состоящая из одинаковых равномерно распределенных катушек, входящих в катушечные группы по S рядом лежащих последовательно согласно расположению включенных катушек (S=1, 2, 3 …). Обмотка состоит из 24 катушечных групп, разделенных на 24 одинаковые части с номерами А1÷А8, В1÷В8, C1÷С8 так, что катушечные группы с номерами 1, 10, 4, 19, 7, 16, 22, 13 включены в части A1, А2, A3, А4, А5, А6, А7, А8 соответственно. Катушечные группы с номерами 17, 2, 20, 11, 23, 8, 14, 5 включены в части B1, В2, В3, В4, В5, В6, В7, В8 соответственно. Катушечные группы с номерами 9, 18, 12, 3, 15, 24, 6, 21 включены в части C1, С2, С3, С4, С5, С6, С7, С8 соответственно. Части обмотки соединены с 16 переключателями, из них первые два переключателя П1В и П1Н двухфазные, остальные четырнадцать переключателей П2В÷П8В, П2Н÷П8Н - трехфазные.

В предлагаемой электрической передаче мощности переменного тока тягового транспортного средства с микропроцессорной системой управления функции переключателей выполняют тиристорные коммутаторы [Федоров Г.В. Тиристорный коммутатор. Патент РФ №2262188. Опубл. 2005.10.10], что является отличительной особенностью предлагаемой передачи и повышает ее надежность и уменьшает массу передачи. Это также делает возможным использовать в тиристорных коммутаторах в качестве управляющего ключа (контакта) слабомощные переключатели, в частности магнитоуправляемые герконовые управляющие контакты (герконы), имеющие повышенную надежность, долговечность и число безотказных срабатываний. Использование предлагаемого коммутатора позволяет увеличить число безотказных срабатываний с 10⁴÷10⁵ до 10⁶÷10⁷ [Коммутатор. Патент РФ №2116236. Опубл. 27.07.1998].

Предлагаемая электрическая передача мощности переменного тока тягового транспортного средства с микропроцессорной системой управления построена следующим образом (см. фиг.3. Принципиальная схема электрической передачи мощности переменного тока тягового транспортного средства с микропроцессорной системой управления). Вал теплового двигателя 1 соединен с валом трехфазного синхронного тягового генератора 2. Тепловой двигатель и синхронный тяговый генератор образуют энергетическую установку, к которой посредством тиристорных коммутаторов 3 подключаются статорные обмотки многоскоростного асинхронного тягового двигателя 4 с короткозамкнутым ротором, вал которого соединен с осью 5 движущей колесной пары 6. Частота вращения вала энергетической установки n_ДГ измеряется датчиком 7, а частота вращения вала асинхронного тягового двигателя 4 n_АД измеряется датчиком 8. Напряжение синхронного тягового генератора 2U и его ток I измеряются соответственно датчиками 9 и 10, перемещение h_P элементов (реек топливных насосов) органов топливоподачи теплового двигателя измеряется датчиком 11. Магнитный поток Ф асинхронного тягового двигателя измеряется датчиком 12. На фиг.3 позиции 13 соответствует орган управления тяговым транспортным средством. Датчики 7, 8, 9, 10, 11, 12 и орган управления 13 тяговым транспортным средством связаны с тепловым двигателем 1 и микропроцессорным контроллером 14. Микропроцессорный контроллер 14 подключен также к блоку тиристорных коммутаторов 3 и к возбудителю 15 синхронного тягового генератора 2.

Тиристорный коммутатор (см. фиг.4. Принципиальная схема трехфазного тиристорного коммутатора) содержит девять диодов 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23 и 24, три силовых тиристора 25, 26, 27 и три силовых диода 28, 29, 30, стабилитрон 31, три резистора 32, 33 и 34 и управляющий ключ 35. В исходном состоянии управляющий ключ 35 замкнут. При размыкании управляющего ключа 35 коммутатор включается. Для отключения коммутатора управляющий ключ 20 замыкается. При этом управляющие переходы силовых тиристоров 25, 26 и 27 через диоды 22, 23 и 24 шунтируются, что приводит к их закрытию и отключению нагрузки от питающей сети. Управляющие ключи коммутаторов замыкаются и размыкаются под действием выходных сигналов микропроцессорного контроллера 14, подключенного к тиристорным коммутаторам, функции управляющих ключей в которых выполняют герконовые элементы. Микропроцессорный контроллер 14 подключен также к возбудителю синхронного тягового генератора.

При включенных датчиках 7÷12 микропроцессорный контроллер 14 в соответствии с заложенной программой обеспечивает включение и выключение соответствующего числа пар полюсов асинхронного тягового двигателя в зависимости от сигналов Пк и n_АД. При этом переключения катушечных групп статорной обмотки асинхронного тягового двигателя производятся в соответствии с таблицей 1.

В таблице 1 знак «+» означает включенное состояние коммутатора, а знак «-» означает выключенное состояние коммутатора.

Как видно из таблицы 1, для включения катушечных групп с р₁=8 включаются переключатели П1В÷П8В. Для перевода двигателя с первой ступени частоты вращения (р₂=8) на вторую ступень частоты вращения (p₂=4) выключаются переключатели П5В÷П8В и включаются переключатели П1Н, П5Н÷П8Н; для перевода двигателя со второй ступени частоты вращения на третью ступень частоты вращения (р₃=2) включаются переключатели П1В, П3В и включаются переключатели П2Н, П4Н÷П8Н; а для перевода двигателя с третьей ступени частоты вращения на четвертую ступень частоты вращения (р₄=1) включаются переключатели П1Н÷П8Н.

На фиг.5 представлена принципиальная схема системы управления асинхронным тяговым двигателем путем переключения полюсов посредством коммутаторов П1В÷П8В и П1Н÷П8Н.

Для образования требуемого числа пар полюсов асинхронного тягового двигателя катушечные группы его статорной обмотки соединяются последовательно в каждой фазе, в порядке, зависящем от числа пар полюсов. Это представлено в таблице 2.

Как изменяется частота вращения вала асинхронного тягового двигателя n_АД при изменении положения рукоятки контроллера машиниста Пк и числа пар полюсов р, видно из таблицы 3. Из таблицы 3 видно, что при р₁=8 максимальное значение синхронной частоты вращения вала асинхронного тягового двигателя n_АД=375 об/мин достигается при Пк=XV. Дальнейшее увеличение синхронной частоты вращения вала асинхронного тягового двигателя и n_АД до 750 об/мин может быть достигнуто путем отключения его от синхронного тягового генератора, перевода энергетической установки на Пк=VI, подключения асинхронного тягового двигателя к синхронному тяговому генератору при р₂=4 и увеличения Пк до XV. Дальнейшее увеличение синхронной частоты вращения вала асинхронного тягового двигателя n_АД до 1500 об/мин может быть достигнуто путем отключения его от синхронного тягового генератора, перевода энергетической установки на Пк=VI, подключения асинхронного тягового двигателя к синхронному тяговому генератору при p₃=2 и увеличения Пк до XV. Дальнейшее увеличение синхронной частоты вращения вала асинхронного тягового двигателя n_АД до максимального значения 3000 об/мин может быть достигнуто путем отключения его от синхронного тягового генератора, перевода энергетической установки на Пк=VI, подключения асинхронного тягового двигателя к синхронному тяговому генератору при р₄=1 и увеличения Пк до XV.

Относительная мощность синхронного тягового генератора Р_Го изменяется примерно пропорционально частоте вращения вала энергетической установки n_ДГ, и в электрической передаче мощности переменного тока передача поддерживается автоматической системой регулирования частоты вращения вала и мощности энергетической установки на уровне, определяемом частотой вращения вала асинхронного тягового двигателя n_АД. Для энергетической установки тепловоза ТЭ25 зависимость относительной мощности от частоты вращения вала энергетической установки описывается выражением

В электрической передаче мощности переменного тока тягового транспортного средства с микропроцессорной системой управления в отличие от известных передач мощности переключение числа пар полюсов асинхронного тягового двигателя с короткозамкнутым ротором осуществляется при положениях рукоятки контроллера машиниста Пк: I, VI и XV. Подключение асинхронного тягового двигателя к трехфазному синхронному тяговому генератору осуществляется на Пк=I при р₁=8, в результате чего за счет уменьшения скольжения s асинхронного тягового двигателя асинхронная частота вращения его вала n_АД увеличивается от нуля до частоты, близкой к 112,5 об/мин. При этом происходит разгон тягового транспортного средства.

При любом Пк автоматическое поддержание заданной частоты вращения вала асинхронного тягового двигателя, то есть скорости движения тягового транспортного средства, в электрической передаче мощности переменного тока осуществляется за счет действия зам